直流電機(jī)的工作原理

直流電機(jī)的工作原理\o"轉(zhuǎn)到中國(guó)減速機(jī)網(wǎng)首頁(yè)!"中國(guó)減速機(jī)網(wǎng)

-6-1017:23:45

一、直流發(fā)電機(jī)工作原理

直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動(dòng)勢(shì)，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì)的原理。

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向按右手定則確定（磁感線指向手心，大拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向，其他四指的指向就是導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。）

在圖1.1所示瞬間，導(dǎo)體ab、cd的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向分別由b指向a和由d指向c。這時(shí)電刷A呈正極性,電刷B呈負(fù)極性。

圖1.1直流發(fā)電機(jī)原理模型

當(dāng)線圈逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，這時(shí)導(dǎo)體cd位于N極下，導(dǎo)體ab位于S極下，各導(dǎo)體中電動(dòng)勢(shì)都分別變化了方向。

圖1.2直流發(fā)電機(jī)原理模型

從圖看出，和電刷A接觸的導(dǎo)體永遠(yuǎn)位于N極下，同樣，和電刷B接觸的導(dǎo)體永遠(yuǎn)位于S極下。因此，電刷A一直有正極性，電刷B一直有負(fù)極性，因此電刷端能引出方向不變的但大小變化的脈振電動(dòng)勢(shì)。假如電樞上線圈數(shù)增多，并按照一定的規(guī)律把它們連接起來(lái)，可使脈振程度減小，就可獲得直流電動(dòng)勢(shì)。這就是直流發(fā)電機(jī)的工作原理。

二、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這一對(duì)電磁力形成了作用于電樞一種力矩，這個(gè)力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針方向，企圖使電樞逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。假如此電磁轉(zhuǎn)矩可以克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩（例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其他負(fù)載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)起來(lái)。

圖1.3直流電動(dòng)機(jī)的原理模型

當(dāng)電樞轉(zhuǎn)了180°后，導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下時(shí)，由于直流電源供應(yīng)的電流方向不變，仍從電刷A流入，經(jīng)導(dǎo)體cd、ab后，從電刷B流出。這時(shí)導(dǎo)體cd受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃?，?dǎo)體ab受力方向是從左向右，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時(shí)針方向。

圖1.4直流電動(dòng)機(jī)原理模型

因此，電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于換向器配合電刷對(duì)電流的換向作用，直流電流交替地由導(dǎo)體ab和cd流入，使線圈邊只要處在N極下，其中通過(guò)電流的方向總是由電刷A流入的方向，而在S極下時(shí)，總是從電刷B流出的方向。這就保證了每個(gè)極下線圈邊中的電流一直是一種方向，從而形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)能持續(xù)地旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。

永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

1引言

伴隨人們生活水平的提高，產(chǎn)品質(zhì)量、精度、性能、自動(dòng)化程度、功能以及功耗、價(jià)格問題已經(jīng)是選擇家用電器的重要原因。永磁無(wú)刷直流電機(jī)既具有交流伺服電機(jī)的構(gòu)造簡(jiǎn)樸、運(yùn)行可靠、維護(hù)以便等長(zhǎng)處，又具有直流伺服電機(jī)那樣良好的調(diào)速特性而無(wú)機(jī)械式換向器，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于多種調(diào)速驅(qū)動(dòng)場(chǎng)所。MOTOROLA第二代電機(jī)控制專用芯片的出現(xiàn)，給永磁無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的便利。這些芯片控制功能強(qiáng)，保護(hù)功能完善，工作性能穩(wěn)定，構(gòu)成的系統(tǒng)所需外圍電路簡(jiǎn)樸，抗干擾能力強(qiáng)，尤其合用于工作環(huán)境惡劣，對(duì)控制器體積，價(jià)格性能比規(guī)定較高的場(chǎng)所。

2控制器構(gòu)造與原理

2.1控制器構(gòu)造

MC33035是MOTORLORA企業(yè)研制的第二代無(wú)刷直流電機(jī)控制專用集成電路，加上1片MC3309電子測(cè)速器將無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行F/V轉(zhuǎn)換，形成轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，即可構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)整系統(tǒng)。外接6個(gè)功率開關(guān)器件構(gòu)成三相逆變器，就可驅(qū)動(dòng)三相永磁無(wú)刷直流電機(jī)，控制器電路構(gòu)成，如圖1所示，圖中S1控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，S2控制系統(tǒng)起停，S3選擇系統(tǒng)開環(huán)或閉環(huán)運(yùn)行，S4控制系統(tǒng)制動(dòng)，S5選擇轉(zhuǎn)

子位置檢測(cè)信號(hào)為60°或[1]120°方式，S6控制系統(tǒng)的復(fù)位。電位器RP1用以設(shè)定所需電機(jī)轉(zhuǎn)速，發(fā)光二板管L1用作故障

指示，當(dāng)出現(xiàn)不正常的位置檢測(cè)信號(hào)、主電路過(guò)流、3種欠電壓之一（芯片電壓低于9.1V，驅(qū)動(dòng)電路電壓低于9.1V，基準(zhǔn)電壓低于4.5V）、芯片內(nèi)部過(guò)熱、起停端低電平時(shí)，L1發(fā)光報(bào)警，同步自動(dòng)封鎖系統(tǒng)。故障排除后，經(jīng)系統(tǒng)復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。

2.2控制原理

從電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器送來(lái)的三相位置檢測(cè)信號(hào)（SA,SB,SC）首先送入)MC33035，經(jīng)芯片內(nèi)部譯碼電路結(jié)合正反轉(zhuǎn)控制端、起?？刂贫恕⒅苿?dòng)控制端、電流檢測(cè)端等控制邏輯信號(hào)狀態(tài)，通過(guò)運(yùn)算后，產(chǎn)生逆變器三相上、下橋臂開關(guān)器件的6路原始控制信號(hào)，其中，三相下橋開關(guān)信號(hào)還要按無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速機(jī)理進(jìn)行脈寬調(diào)制處理。處理后的三相下橋PWM控制信號(hào)（Ar,Br,Cr）通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路整形、放大后，施加到逆變器的6個(gè)開關(guān)管上，使其產(chǎn)生出供電機(jī)正常運(yùn)行所需的三相方波交流電流。

另首先，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)信號(hào)還送入MC33039經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換，得到一種頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào)FB。FB通過(guò)簡(jiǎn)樸的阻容網(wǎng)絡(luò)濾波后形成轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，運(yùn)用MC33035中的誤差放大器即可構(gòu)成一種簡(jiǎn)樸的P調(diào)整器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，以提高電機(jī)的機(jī)械特性硬度。實(shí)際應(yīng)用中，還可外接多種PI,PD，調(diào)整電路以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的閉環(huán)調(diào)整控制。

3芯片功能

3.1MC33035構(gòu)造構(gòu)成及功能

其重要構(gòu)成部分包括：

（1）轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼電路；

（2）帶溫度賠償?shù)膬?nèi)部基準(zhǔn)電源；

（3）頻率可設(shè)定的鋸齒波振蕩器；

（4）誤差放大器；

（5）脈寬調(diào)制（PWM）比較器；

（6）輸出驅(qū)動(dòng)電路；

（7）欠電壓封鎖保護(hù)芯片過(guò)熱保護(hù)等故障輸出；

（8）限流電路。

該集成電路的經(jīng)典控制功能包括PWM開環(huán)速度控制，使能控制（起動(dòng)或停止），正反轉(zhuǎn)控制和能耗制動(dòng)控制，合適加上某些外圍元件，可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。

3.1.1轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼電路

該譯碼電路將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成六路驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)，三路上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出和三路下側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出。它適合于集電極開路的霍爾集成電路或光耦合電路等傳感器。輸入端腳4、5、6都設(shè)有提高電阻，輸入電路分TTL電路電平兼容，門檻電壓為2.2V。該集成電路合用于傳感器相位差為,60°、120°、240°、300°四種狀況的三相無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。由于3個(gè)輸入邏輯信號(hào)，可有8種邏輯組合。其中6種正常狀態(tài)決定了電動(dòng)機(jī),個(gè)不一樣位置狀態(tài)。其他2種組合對(duì)應(yīng)于位置傳感不正常狀態(tài)，即3個(gè)信號(hào)線開路或?qū)Φ囟搪窢顟B(tài)，此時(shí)腳14將輸出故障信號(hào)（低電平）。

用腳3邏輯電平來(lái)確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向。當(dāng)腳3邏輯狀態(tài)變化時(shí)，傳感器信號(hào)在譯碼器內(nèi)將本來(lái)的邏輯狀態(tài)變化成非，再經(jīng)譯碼后，得到反相序的換向輸出，使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)的起?？刂朴赡_7使能端來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)腳7懸空時(shí)，內(nèi)部有電流源使驅(qū)動(dòng)輸出電路正常工作。若腳7接地，3個(gè)上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出開路（1狀態(tài)），3個(gè)下側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出強(qiáng)制為低電平（0狀態(tài)），使電動(dòng)機(jī)失去鼓勵(lì)而停車，同步故障信號(hào)輸出為零。

當(dāng)加到腳23上的制動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)操作。它使3個(gè)上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出開路，下側(cè)3個(gè)驅(qū)動(dòng)輸出為高電平，外接逆變橋下側(cè)3個(gè)功率開關(guān)導(dǎo)通，使電動(dòng)機(jī)3個(gè)繞組端對(duì)地短接，實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)。芯片內(nèi)設(shè)一種四與門電路，其輸入端是腳23的制動(dòng)信號(hào)和上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出3個(gè)信號(hào)，它的作用是等待3個(gè)上側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出確實(shí)已轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)后，才容許3個(gè)下側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，從而防止逆變橋上下開關(guān)出現(xiàn)同步導(dǎo)通的危險(xiǎn)，其控制真值表，如表1示。

3.1.2誤差放大器

該芯片內(nèi)設(shè)有高性能，全賠償?shù)恼`差放大器。在閉環(huán)速度控制時(shí)，該放大器的直流電壓增益為80dB，增益帶寬為0.6MHz,輸入共模電壓范圍從地到VREF（經(jīng)典值為6.25V），可得到良好性能。作開環(huán)速度控制時(shí)，可將此放大器改接成增益為1的電壓跟隨器，即速度設(shè)定電壓從其同相輸入端腳11輸入。腳12～13短接。

3.1.3脈寬調(diào)制器

除非由于過(guò)電流或故障狀態(tài)使6個(gè)驅(qū)動(dòng)輸出調(diào)閉鎖，在正常狀況下，誤差放大器輸出與振蕩器輸出鋸齒波信號(hào)比較后，產(chǎn)生脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，控制3個(gè)下側(cè)驅(qū)動(dòng)輸出。變化輸出脈沖寬度，相稱于變化供應(yīng)電動(dòng)機(jī)繞組的平均電壓，從而控制其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。脈寬調(diào)制時(shí)序圖，如圖3示。

3.1.4電流限制

外接逆變橋經(jīng)一電阻Rs接地作電流采樣。采樣電壓由腳9和腳15輸入至電流檢測(cè)比較器。比較器反相輸入端設(shè)置有100mV基準(zhǔn)電壓，作為電流限流基準(zhǔn)。在振蕩器鋸齒波上升時(shí)間內(nèi)，若電流過(guò)大，此比較器翻轉(zhuǎn)，使下Rs觸發(fā)器重置，將驅(qū)動(dòng)輸出關(guān)閉，以限制電流繼續(xù)增大。在鋸齒波下降時(shí)間，重新將觸發(fā)器置位，使驅(qū)動(dòng)輸出開通。運(yùn)用這樣的逐一周期電流比較，實(shí)現(xiàn)了限流，若容許最大電流為Imax，則采樣電阻按下式選擇：

Rs=0.1/Imax為了防止由換相尖峰脈沖引起電流檢測(cè)誤動(dòng)作，在腳9輸入前可設(shè)置RC低通濾波器。

3.2MC33039電子測(cè)速器

MC33039是為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)速度控制專門設(shè)計(jì)的集成電路，系統(tǒng)不必使用高價(jià)的電磁式或光電測(cè)速機(jī)，就可實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速控制。它直接運(yùn)用三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器3個(gè)輸出信號(hào)，經(jīng)F/V變換成正比于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓。

從MC33039構(gòu)造圖圖4可知，腳1、2、3接受位置傳感器3個(gè)信號(hào)，經(jīng)有滯后的緩沖電路，以克制輸入噪聲。經(jīng)“或”運(yùn)算得到相稱于電動(dòng)機(jī)每對(duì)極下6個(gè)脈沖的信號(hào)。再經(jīng)有外接定期元件CT和Rr的單穩(wěn)態(tài)電路，從腳5輸出的fout信號(hào)的

占空比與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，其直流分量與轉(zhuǎn)速成正比，此信號(hào)在外接低通濾波器處理后，即可得到與轉(zhuǎn)速成正比的測(cè)速電壓。三相電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用時(shí)的波形圖中，fout是腳5輸出，Vout，（AVG）表達(dá)它的平均值，即直流分量。

4試驗(yàn)與結(jié)論

為了更好的驗(yàn)證前面理論的可行性及安全性，按設(shè)計(jì)進(jìn)行了試驗(yàn)。

4.1準(zhǔn)備

試驗(yàn)的主要部分_控制電路，設(shè)計(jì)為MC33035和MC33039所構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)。由于試驗(yàn)條件的限制，我們對(duì)試驗(yàn)電路作了某些必要的調(diào)整，這些調(diào)整并沒有影響系統(tǒng)的功能以及試驗(yàn)的成果。

首先要作調(diào)整的是電源。試驗(yàn)中選用的電機(jī)是三相六極電機(jī)，n0=1500r/min,I0=10A,U0=50V。在供電電源和MC33035的腳17之間加入LM317穩(wěn)壓三端以保證MC33035的Vcc在許可的范圍內(nèi)。LM317是50V輸入、15V輸出的穩(wěn)壓三端。它的基本電路構(gòu)造，如圖5示。

另一方面，該閉環(huán)速度控制系統(tǒng)中，用3個(gè)霍爾集成電路作轉(zhuǎn)子位置傳感器。用MC33035的腳8參照電壓（6.24V）作為它們的電源?；魻柤呻娐份敵鲂盘?hào)送至MC33039和MC33035。試驗(yàn)中的電動(dòng)機(jī)是六極的，從MC33039的腳5輸

出的脈沖數(shù)是電動(dòng)機(jī)每一轉(zhuǎn)輸出的3×6=18個(gè)脈沖。按電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速來(lái)選擇定期元件。試驗(yàn)中電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為1500r/min即1500/60=25r/s。此時(shí)每秒輸出脈沖數(shù)是25×18=450個(gè)。即其頻率為450Hz，周期約為2.2ms。由MC33039闡明書，取定期元件參數(shù)R1=1MΩ，C1=750PF，單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生脈沖寬度為95μs。腳8接MC33035的基準(zhǔn)電壓。腳5輸出經(jīng)電阻R3接MC33035的腳12，即誤差放大反相輸入端。放大器此時(shí)增益為10，電容C3,起濾波平滑作用。MC33035振蕩器參數(shù)：R2=5.1kΩ，C2=0.01μF，PWM頻率約為24kHz。

此外，因無(wú)法做成圖1所示的NPN-PNP逆變橋。故用了N溝道的VMOS管，可構(gòu)成六路逆變橋的電路，由于上側(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)只能直接驅(qū)動(dòng)p溝道的VMOS管而下側(cè)可直接驅(qū)動(dòng)N溝道的VMOS管。因而上橋臂與逆變橋之間的電路中加入反相器將驅(qū)動(dòng)信號(hào)變非即可。構(gòu)成后的電路圖，如圖6示。

4.2試驗(yàn)結(jié)論

在電機(jī)實(shí)際操作之前，以手動(dòng)方式轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，用萬(wàn)用表測(cè)量電機(jī)上設(shè)置的霍爾傳感器的三路輸出信號(hào)與MC33035輸出信號(hào)真值表與否一致。試驗(yàn)成果，如表2示。

手動(dòng)工作的成果：試驗(yàn)所得與理論真值表一致。

電機(jī)在電源驅(qū)動(dòng)狀況下的試驗(yàn)波形，如圖７、８示。

兩圖中的上側(cè)曲線均為傳感器輸出的ＳＢ，圖７的下側(cè)曲線為Ｓc，圖8的下側(cè)曲線為SA。對(duì)照可知，試驗(yàn)輸出與理論相符。

測(cè)量電流波形時(shí)，首先，將一驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)逆變器的主回路引出，在電線上裝置電流傳感器，再接入一5Ω的測(cè)量電阻后